DE102005049378A1

DE102005049378A1 - Automatic microscope

Info

Publication number: DE102005049378A1
Application number: DE102005049378A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr. Nolte; Lutz HÖRING
Original assignee: VEB Carl Zeiss Jena GmbH; Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Priority date: 2005-10-12
Filing date: 2005-10-12
Publication date: 2007-04-19
Also published as: US7848018B2; WO2007042164A1; US20090034064A1

Abstract

Bei einem automatischen Mikroskop besteht die Aufgabe, der Forderung nach einem kostengünstigen kompakten Aufbau mit einer Miniaturisierung als wesentlichen Aspekt gerecht zu werden. DOLLAR A Das automatische Mikroskop enthält ein optisches System mit einem zumindest annähernd in der Aperturblendenebene eines Kodensors angeordneten und zur Objektbeleuchtung vorgesehenen Belechtungsfeld, mit einer Abbildungsoptik und einem in der Bildebene der Abbildungsoptik angeordneten bildgebenden Sensor.With an automatic microscope, the task is to meet the demand for an inexpensive compact structure with miniaturization as an essential aspect. DOLLAR A The automatic microscope contains an optical system with an illumination field arranged at least approximately in the aperture diaphragm plane of a code sensor and provided for object illumination, with imaging optics and an imaging sensor arranged in the image plane of the imaging optics.

Description

Automatische Mikroskope finden Anwendung in der Videomikroskopie, der digitalen Mikroskopie, bei Materialuntersuchungen, Inspektionen sowie klinischen Routineuntersuchungen, wo digitale Slides erzeugt werden. Außerdem gestatten diese Mikroskope ein automatisches Einscannen von Objekten auf Objektträgern und ein nachfolgendes Betrachten an einem Monitor und Langzeitbeobachtungen in der Zellbiologie, insbesondere an lebenden Zellen.automatic Microscopes are used in video microscopy, digital Microscopy, Material Examinations, Inspections and Clinical Routine examinations where digital slides are generated. Also allow These microscopes automatically scan objects on slides and a subsequent viewing on a monitor and long-term observations in cell biology, especially on living cells.

Die automatisch aufgenommenen Bilder können von einem Beobachter online, erforderlichenfalls mit Interaktion, betrachtet werden oder sie stehen zu einem späteren Zeitpunkt für Auswertungen zur Verfügung.The automatically captured images can be viewed online by an observer, if necessary with interaction, be considered or they stand for a later Time for Evaluations available.

An die optischen Komponenten solcher automatischen Mikroskope werden völlig andere Anforderungen an das optische Design gestellt, als bei konventionellen Mikroskopen mit okularer Objekterfassung, bei denen ergonomische Randbedingungen im Vordergrund stehen.At become the optical components of such automatic microscopes completely have different optical design requirements than conventional ones Microscopes with ocular object detection, where ergonomic Boundary conditions are in the foreground.

Konventionelle Mikroskope weisen eine köhlersche Beleuchtung auf, wobei bislang überwiegend Hochdrucklampen mit Lichtbogen und Halogenlampen mit Glühwendel zum Einsatz kommen. Bei beiden Systemen sind Größe und Konfiguration der eigentlichen Lichtquelle in einem engen Rahmen vorgegeben. Eine Anpassung der Lichtquelle an die Dimensionierung des Beleuchtungsstrahlenganges findet über eine Anpassungsoptik, dem so genannten Kollektor, statt.conventional Microscopes have a kohlersche Lighting on, so far mainly high-pressure lamps with arc and halogen lamps with filament are used. Both systems have size and configuration the actual light source given in a narrow frame. A Adaptation of the light source to the dimensioning of the illumination beam path finds over an adaptation optics, the so-called collector, instead.

Da der Abbildungsstrahlengang auf den Einblick ins Okular optimiert ist, muss bei Verwendung von Kameras eine Strahlenganganpassung an die Feldgröße am Ort des Bildes (Chipoberfläche der Kamera) über einen zusätzlichen Adapter erfolgen.There the imaging beam path is optimized for the view into the eyepiece is, when using cameras, a beam path adjustment to the field size at the place of the picture (chip surface the camera) An additional Adapters are made.

Ferner muss der manuelle Eingriff in das Mikroskop gewährleistet sein, wozu die Strahlengänge so dimensioniert sind, dass alle optischen Bauelemente, wie Objektive, Filter, Blenden, etc. auch von Hand bedient werden können. Bei vorgegebener Feldgröße, Vergrößerung und Apertur der Optik ergeben sich in der Folge die Dimensionierungen der Beleuchtungs- und Abbildungsoptik zu den bisher bestehenden Systemen.Further the manual intervention in the microscope must be ensured, for which purpose the beam paths are dimensioned are that all optical components, such as lenses, filters, diaphragms, etc. can also be operated by hand. For a given field size, magnification and Aperture of the optics result in the following dimensions the lighting and imaging optics to the existing ones Systems.

Anders verhält es sich bei automatisierten Mikroskopen, bei denen ausschließlich ein in seinen Abmessungen durch die Chipdiagonale bestimmter bildgebender Sensor zur Anwendung kommt, der optimal auszuleuchten ist. Ferner muss eine Anpassung der optischen Komponenten an die Proben- bzw. Probenträgergeometrie sowie der Auflösung der Optik an die durch die Anzahl der Pixel begrenzte Auflösung des bildgebenden Sensors erfolgen.Different behave it is in automated microscopes, where only one in its dimensions through the chip diagonal of certain imaging Sensor is used, which is optimal to illuminate. Further must be an adaptation of the optical components to the sample or Sample carrier geometry as well as the resolution the optics to the limited by the number of pixels resolution of the Imaging sensor.

Insgesamt besteht bei diesen Randbedingungen die Forderung nach einem kostengünstigen kompakten Aufbau mit einer Miniaturisierung als wesentlichen Aspekt.All in all exists in these boundary conditions, the demand for a cost-effective compact Construction with miniaturization as an essential aspect.

Aufgabe ist es, dieser Forderung gerecht zu werden.task is to meet this demand.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch ein automatisches Mikroskop gelöst, das ein optisches System enthält mit einem zumindest annähernd in der Aperturblendenebene eines Kondensors angeordneten und zur Objektbeleuchtung vorgesehenen Beleuchtungsfeld, mit einer Abbildungsoptik und einem in der Bildebene der Abbildungsoptik angeordneten bildgebenden Sensor.According to the invention the task is solved by an automatic microscope that contains an optical system with one at least approximate arranged in the aperture diaphragm plane of a condenser and the Illumination field provided with object illumination, with an imaging optics and a arranged in the image plane of the imaging optics imaging Sensor.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.advantageous Embodiments are the dependent claims refer to.

Eine mit einem Auswerte- und Steuerrechner verbundene Lichtquellensteuerung ist dafür vorgesehen, das Beleuchtungsfeld in der Helligkeit und/oder der Farbtemperatur anzusteuern.A light source control connected to an evaluation and control computer is for that provided, the illumination field in the brightness and / or the To control color temperature.

Das Beleuchtungsfeld ist bevorzugt aus einzelnen, in unterschiedlichen Wellenlängen emittierenden Halbleiterbauelementen zusammengesetzt, welche durch die Lichtquellensteuerung in der Intensität einzeln und/oder in Gruppen gleicher Art ansteuerbar sind, wodurch die Einstellung der Helligkeit und/oder der Farbtemperatur des Beleuchtungsfeldes erfolgen kann.The Illumination field is preferably made of individual, in different wavelength composed of emitting semiconductor devices, which by the light source control in intensity individually and / or in groups the same type are controlled, whereby the adjustment of the brightness and / or the color temperature of the illumination field can be done.

Feldgröße und Vergrößerung der Abbildungsoptik sind derart an den bildgebenden Sensor angepasst, dass jeder aufzulösende Bildpunkt durch die Abbildungsoptik auf zwei mal zwei Sensorpixel des bildgebenden Sensors abgebildet wird.Field size and magnification of the Imaging optics are adapted to the imaging sensor, that everyone to be resolved Pixel through the imaging optics on two times two sensor pixels of the Imaging sensor is imaged.

Durch die Verwendung eines in oder nahe der Aperturblendenebene des Kondensors positionierten Beleuchtungsfeldes anstatt einer köhlerschen Beleuchtung und den Einsatz eines bildgebenden Sensors, der das sonst bei herkömmlichen Mikroskopen von dem Objektiv und der Tubuslinse erzeugte Zwischenbild direkt detektiert, vereinfacht sich der optische Strahlengang des automatischen Mikroskops wesentlich. Da die Konfiguration des Beleuchtungsfeldes optimal auf den Beleuchtungsstrahlengang abgestimmt werden kann, entfällt die Notwendigkeit zur Justage der Beleuchtung nach dem Wechsel des Leuchtmittels ebenso wie die Beleuchtungsanpassung über einen Kollektor.The use of an illumination field positioned in or near the aperture diaphragm plane of the condenser instead of a Koehler illumination and the use of an imaging sensor which directly detects the intermediate image otherwise generated by conventional microscopes from the objective and the tube lens substantially simplify the optical beam path of the automatic microscope , Since the configuration of the illumination field can be optimally adapted to the illumination beam path, eliminating the need for adjusting the illumination after the change of the illuminant as well as the lighting adaptation via a collector.

Das gesamte System der optischen Komponenten fällt dadurch wesentlich kompakter als bei herkömmlichen Mikroskopen aus, ist einfacher im Aufbau und kostengünstiger in der Fertigung. Das System kann auch wesentlich kleiner ausgebildet werden, da das Bildfeld in der Bildebene der Abbildungsoptik z. B. bei einem 2/3"-Sensor nur 11 mm im Durchmesser beträgt im Unterschied zu 25 mm bei optischen System konventioneller Mikroskope.The entire system of optical components is characterized much more compact as with conventional Microscopes are simpler in construction and less expensive in the production. The system can also be made much smaller, because the image field in the image plane of the imaging optics z. B. at a 2/3 "sensor only 11 mm in diameter unlike 25 mm in the optical system of conventional microscopes.

Eine Faltung der optischen Strahlengänge ist nur dann erforderlich, wenn es Bauraumanforderungen unbedingt erfordern.A Folding the optical beam paths is only required if there is space requirements necessarily require.

Mit der Erfindung wird somit ein Mikroskopkonzept bereitgestellt, dessen optische Komponenten ausschließlich auf die Verwendung von bildgebenden Sensoren zur Beobachtung ausgelegt sind, ohne dass ein Okulareinblick vorgesehen ist. Auch ein manueller Eingriff zur Bedienung der optischen Komponenten ist nicht mehr erforderlich. Diese Aufgabe übernehmen Stellmotoren, die mit einem Steuerrechner in Verbindung stehen.With The invention thus provides a microscope concept whose optical components exclusively designed for the use of imaging sensors for observation are without an eyepiece insight is provided. Also a manual Intervention to operate the optical components is no more required. Take on this task Actuators, which are connected to a control computer.

Das Mikroskopkonzept gestattet eine Optimierung auf die Abmessungen der Probengeometrie sowie auf die Geometrie verschiedener Probenträger und auf den verwendeten bildgebenden Sensor.The Microscope concept allows an optimization on the dimensions the sample geometry as well as the geometry of different sample carriers and on the used imaging sensor.

Die Erfindung soll nachstehend anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:The Invention will be explained below with reference to the schematic drawing. It demonstrate:

1 eine Anordnung optischer Komponenten im Strahlengang eines automatischen Mikroskops 1 an arrangement of optical components in the beam path of an automatic microscope

2 die Feldausleuchtung in der Objektebene bei Beleuchtung mit einem zweidimensionalen LED-Array als Beleuchtungseinrichtung 2 the field illumination in the object plane when illuminated with a two-dimensional LED array as a lighting device

3 eine Bildpunktabbildung auf Sensorpixel eines bildgebenden Sensors Gemäß der Erfindung enthält das automatische Mikroskop entsprechend 1 als optische Komponenten ein Beleuchtungsfeld 1 als Lichtquelle, das in oder in der Nähe der Aperturblendenebene ABE eines dem Beleuchtungsfeld 1 nachgeordneten Kondensors 2 positioniert ist. In einer Objektebene OE kann ein zu untersuchendes Objekt 3 angeordnet werden, das über eine Abbildungsoptik 4, bestehend aus einem, ins Unendliche abbildenden Objektiv 4.1 und einer bildformenden Linse 4.2, einen in der Bildebene BE der Abbildungsoptik 4 angeordneten bildgebenden Sensor 5 abgebildet wird. 3 a pixel image on sensor pixels of an imaging sensor According to the invention, the automatic microscope contains accordingly 1 as optical components a lighting field 1 as a light source, in or near the aperture diaphragm ABE of the illumination field 1 downstream condenser 2 is positioned. In an object level OE can be an object to be examined 3 be arranged, which has an imaging optics 4 , consisting of a, to infinity imaging lens 4.1 and an image-forming lens 4.2 , one in the image plane BE of the imaging optics 4 arranged imaging sensor 5 is shown.

Das Beleuchtungsfeld 1 setzt sich gemäß 2 bevorzugt aus einzelnen, in unterschiedlichen Wellenlängen emittierenden Halbleiterbauelementen (LEDs) 6 zusammen, so dass durch Überlagerung einzelner Farben in der Objektebene OE Mischfarben erstellt werden können. Zur besseren Anpassung des bereits flächig ausgebildeten Beleuchtungsfeldes 1 an das zu beleuchtende Objekt ist ein Mikrolinsenarray 7 vorgesehen.The lighting field 1 sits down according to 2 preferably from individual semiconductor components (LEDs) emitting in different wavelengths 6 together so that mixed colors can be created by superimposing individual colors in the object plane OE. For better adaptation of the already areal trained illumination field 1 to the object to be illuminated is a microlens array 7 intended.

Die Anpassung des Beleuchtungsfeldes 1 an das Objekt hat den Vorteil, dass eine bisher notwendige starke Vergrößerung der Beleuchtungsquelle entfällt. Außerdem ist mit einer derartig aufgebauten Beleuchtungsquelle eine Farbfehlerreduzierung verbunden.The adaptation of the illumination field 1 to the object has the advantage that a previously necessary strong enlargement of the illumination source is eliminated. In addition, a color error reduction is associated with such a constructed illumination source.

Die Halbleiterbauelemente 6 sind mittels einer als mehrkanaliger LED-Controller (pro Farbe ein Kanal) ausgebildeten Lichtquellensteuerung 8 in der Intensität einzeln ansteuerbar, wodurch eine Einstellung der Helligkeit und/oder der Farbtemperatur des Beleuchtungsfeldes 1 erfolgen kann.The semiconductor devices 6 are by means of a multichannel LED controller (one channel per color) formed light source control 8th individually controllable in intensity, whereby an adjustment of the brightness and / or the color temperature of the illumination field 1 can be done.

Trotz der nichtlambert'schen Abstrahlcharakteristik eines zweidimensionalen LED-Arrays ist zur Beleuchtung ein einfacher Kondensor 2 ausreichend.Despite the non-lambert radiation characteristic of a two-dimensional LED array is a simple condenser for lighting 2 sufficient.

Der bildgebende Sensor 5 ist über eine Auswerteelektronik 9 mit einem Monitor 10 zur Bildanzeige verbunden. Ein zur Komponentensteuerung (Verbindungen nicht dargestellt) dienender Auswerte- und Steuerrechner 11 nimmt auch die Steuerung des Beleuchtungsfeldes 1 über die Lichtquellensteuerung 8 vor.The imaging sensor 5 is via a transmitter 9 with a monitor 10 connected to the image display. An evaluation and control computer serving for component control (connections not shown) 11 Also takes control of the lighting field 1 via the light source control 8th in front.

Im Unterschied zu Mikroskopen, die auf eine okulare Objekterfassung ausgelegt sind, ist die Abbildungsoptik 4 auf die Verwendung des bildgebenden Sensors 5 abgestimmt, wobei sich die objektseitige Apertur durch die aufzulösende Struktur im Objekt ergibt. Feldgröße und Vergrößerung sind so an den bildgebenden Sensor 5 angepasst, dass jeder aufzulösende Bildpunkt durch die Abbildungsoptik 4 entsprechend 3 auf zwei mal zwei Sensorpixel 12 abgebildet wird.Unlike microscopes designed for ocular object detection, the imaging optics are 4 on the use of the imaging sensor 5 matched, wherein the object-side aperture results from the structure to be resolved in the object. Field size and magnification are so on the imaging sensor 5 adapted that each pixel to be resolved by the imaging optics 4 corresponding 3 on two times two sensor pixels 12 is shown.

Claims

An automatic microscope, comprising an optical system with - at least approximately in the aperture plane (ABE) of a condenser ( 2 ) and provided for object lighting lighting field ( 1 ), - an imaging optics ( 4 ) and - one in the image plane (BE) of the imaging optics ( 4 ) arranged imaging sensor ( 5 ).

Automatic microscope according to claim 1, in which one with an evaluation and control computer ( 11 ) connected light source control ( 8th ) is provided, through which the illumination field ( 1 ) in the brightness and / or the color temperature can be controlled.

An automatic microscope according to claim 2, wherein the illumination field ( 1 ) of individual, in different wavelengths emitting semiconductor devices ( 6 ), which is controlled by the light source control ( 8th ) in the intensity individually and / or in groups of the same kind are controllable, whereby the adjustment of the brightness and / or the color temperature of the illumination field ( 1 ).

An automatic microscope according to any one of claims 1 to 3, wherein the field size and magnification of the imaging optics ( 4 ) in such a way to the imaging sensor ( 5 ) are adapted so that each pixel to be resolved by the imaging optics ( 4 ) on two times two sensor pixels of the imaging sensor ( 5 ) is displayed.

An automatic microscope according to any one of claims 1 to 4, wherein the imaging sensor ( 5 ) via an evaluation electronics ( 9 ) with a monitor ( 10 ) is connected to the image display.

An automatic microscope according to one of claims 1 to 5, wherein the object-side aperture of the imaging sensor ( 5 ) by the structure to be resolved of an object to be arranged in the object plane (OE) ( 3 ) is determined.